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The purpose of this study was to evaluate the quality of surface contouring of chondromalacic cartilage by bipolar radio frequency energy using different treatment patterns in an animal model, as well as examining the impact of the treatment onto chondrocyte viability by two different methods. Our experiments were conducted on 36 fresh osteochondral sections from the tibia plateau of slaughtered 6-month-old pigs, where the thickness of the cartilage is similar to that of human wrist cartilage. An area of 1 cm(2) was first treated with emery paper to simulate the chondromalacic cartilage. Then, the treatment with RFE followed in 6 different patterns. The osteochondral sections were assessed for cellular viability (live/dead assay, caspase (cell apoptosis marker) staining, and quantitative analysed images obtained by fluorescent microscopy). For a quantitative characterization of none or treated cartilage surfaces, various roughness parameters were measured using confocal laser scanning microscopy (Olympus LEXT OLS 4000 3D). To describe the roughness, the Root-Mean-Square parameter (Sq) was calculated. A smoothing effect of the cartilage surface was detectable upon each pattern of RFE treatment. The Sq for native cartilage was Sq=3.8 +/- 1.1 mu m. The best smoothing pattern was seen for two RFE passes and a 2-second pulsed mode (B2p2) with an Sq=27.3 +/- 4.9 mu m. However, with increased smoothing, an augmentation in chondrocyte death up to 95% was detected. Using bipolar RFE treatment in arthroscopy for small joints like the wrist or MCP joints should be used with caution. In the case of chondroplasty, there is a high chance to destroy the joint cartilage.
Eine gängige Operationsmethode, um Frakturen der menschlichen Hand nach einem Unfall zu korrigieren, ist eine Osteosynthese mit sogenannten Kirschnerdrähten (K-Drähten) zur Stabilisierung von Knochenfragmenten. Die Einführung dieser langen, dünnen und scharfen Drähte durch manuelles Bohren ist eine komplexe minimalinvasive Operation, bei der ein Chirurg nahezu ohne visuelle Orientierung und nur durch eine kleine Öffnung der Haut des Patienten arbeitet. Als Orientierungshilfe für die optimale Lage der K-Drähte bleibt dem Chirurgen lediglich eine zweidimensionale (2D)-Röntgendarstellung und das Ertasten von knöchernen Vorsprüngen auf der menschlichen Hand, um Verletzungen an Risikostrukturen (Nerven, Gefäße usw.), die im Weichteilgewebe der Hand eingebettet sind, zu vermeiden. Für eine sichere und fehlerfreie Durchführung einer K-Draht-Osteosynthese ist deswegen eine gründliche theoretische und praktische Ausbildung junger Chirurgen notwendig.
Da traditionelle Trainingsmethoden zeitaufwendig, kostspielig, ethisch nicht korrekt und unzureichend realistisch sind, wird in dieser Arbeit ein innovativer, auf virtueller Realität (VR) basierender, Haptisch und Visuell unterstützter Trainingssimulator (HaptiVisT) für die Platzierung von K-Drähten entwickelt, der vor allem Handchirurgen mit Übungs- und Perfektionierungsbedarf dabei unterstützt, das Bohrverfahren in einer realistischen aber virtuellen Umgebung zu erlernen. Beim HaptiVisT-Prototypenaufbau werden reale Patientendaten segmentierter Volumendaten aus einer Computertomographie (CT) und einer Magnetresonanztomographie (MRT) im virtuellen, dreidimensionalen (3D) Raum auf einem 3D-Monitor visualisiert und für eine intuitive bimanuelle Haptik sowohl mit einem Kraftfeedback-Gerät für den Bohrprozess und einer 3D-gedruckten und optisch getrackten Phantomhand kombiniert.
Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst alle verwendeten Hardwaregeräte, die C++-Softwareumgebung, aufgebaut auf Multithreading (gleichzeitige Ausführung mehrerer Anweisungsfolgen in einem Prozess), und die auf Oberflächen- und Volumenrendering basierte Visualisierung. Die Kollisionsdetektion zwischen Bohrer und Knochen im virtuellen Raum wird in zwei separate Ereignisse unterteilt: Kollisionen zwischen Objekten als Gesamtes (Simulation der Kollision über die gesamte Objektoberfläche) und Kollisionen zwischen einer K-Draht-Spitze und dem Knochenvolumen für die Entfernung kleiner Volumenelemente (Voxel). Das Herzstück des Trainingssystems bildet eine echtzeitfähige Bohrsimulation, die den gesamten Bohrprozess in eine endliche Anzahl logischer Unterprozesse gliedert und diese Zustände in einen endlichen Zustandsautomaten (FSM, engl.: Finite State Machine) zusammenfasst. Das Kraftfeedback während einer Bohrung wird mit sogenannten „Virtual Fixtures“ (abstrakten sensorischen Informationen) berechnet und über einen Haptikarm auf den Benutzer übertragen. Damit die Simulation der Realität entspricht, wird unter Zuhilfenahme eines experimentellen Aufbaus die reale Bohrgeschwindigkeit durch kortikale Knochen ermittelt. Anschließend werden ein Levelkonzept und alle im System verfügbaren Bohrunterstützungswerkzeuge, wie haptische Korridore als Goldstandard oder eine Röntgenbildsimulation, vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, ausgesuchte Operationsfälle in Level unterschiedlicher Schwierigkeit zu unterteilen und den Operationsvorgang qualitativ zu bewerten. Der 3D-Druck einer Phantomhand (realitätsnahe Nachbildung einer Patientenhand) mit realistischen haptischen Eigenschaften zum Ertasten von Knochenvorsprüngen wird über einen metamaterialbasierten Ansatz (Neuanordnung des Grundmaterials durch eine künstlich angelegte, sich wiederholende Struktur) realisiert, da das aktuell am Markt verfügbare 3D-Druckmaterial für den Druck menschlichen Weichteilgewebes zu hart ist. Die Echtzeitverfolgung der Phantomhand beruht auf einem mit einer Stereokamera optisch getrackten Marker in Form eines Dodekaeders (Körper mit zwölf Flächen). Abschließend wird das HaptiVisT-Gesamtsystem in drei und der 3D-Druck einer Phantomhand in zwei Expertenevaluationen ausführlich untersucht und ausgewertet.
Das HaptiVisT-System versteht sich als notwendiges Komplement für den ersten und weltweit einzigen funktionsfähigen, kompakten Prototypen für virtuelle K-DrahtOsteosynthesen mit haptischen Kraftfeedback, der in Zukunft Chirurgen in Aus- und Weiterbildung an Kliniken oder Trainingszentren ein risikofreies, zeit- und ortsunabhängiges Training ermöglicht. Die Kernelemente dieser Arbeit sind:
• Stereoskopische 3D-Darstellung von realen Patientendaten.
• Bimanuelle Haptik aus haptischen Kraftfeedback des Bohrens verbunden mit einer optisch getrackten, haptisch korrekten und 3D-gedruckten Phantomhand.
• Zuverlässige Kollisionsdetektion zwischen virtuellen Objekten als Grundlage für das Kraftfeedback und die Abtragung von Knochen.
• Echtzeitfähige Bohrsimulation durch Reduzierung des Bohrprozesses auf logische Bohr-Teilprozesse kombiniert mit einer Virtual Fixtures basierten Kraftberechnung.
Haptisch korrekte Phantome sind vor allem im medizinischen Training von hoher Relevanz und die Berechnung des Kraftfeedbacks beruht erstmals auf der performanten und stabilen Simulation von Bohr-Teilprozessen unter Verwendung von Virtual Fixtures. Der Prototyp wird von Experten durchgehend positiv bewertet und bietet nach deren Einschätzung einen hohen Mehrwert für das chirurgische Training.
Zukünftige Arbeiten könnten den Lerneffekt durch das HaptiVisT-Trainingssystem in stichhaltigen Evaluationen mit jungen Medizinstudenten unter Vorhandensein einer Kontrollgruppe statistisch validieren. Bei Bestätigung dieses Lerneffekts ist eine Ausgründung als eigenständiges Unternehmen und Weiterentwicklung des Prototyps mit Ausweitung auf weitere chirurgische Bereiche wie Knie- oder Hüftchirurgie denkbar. Unter Zuhilfenahme von automatischer Segmentierung könnten in Zukunft akut zu behandelnde Brüche abgebildet, vorab einer tatsächlichen Operation geübt und anschließend komplikationslos unter reduzierter Operationszeit durchgeführt werden.
Background: For surgical fixation of bone fractures of the human hand, so-called Kirschner-wires (K-wires) are drilled through bone fragments. Due to the minimally invasive drilling procedures without a view of risk structures like vessels and nerves, a thorough training of young surgeons is necessary. For the development of a virtual reality (VR) based training system, a three-dimensional (3D) printed phantom hand is required. To ensure an intuitive operation, this phantom hand has to be realistic in both, its position relative to the driller as well as in its haptic features. The softest 3D printing material available on the market, however, is too hard to imitate human soft tissue. Therefore, a support-material (SUP) filled metamaterial is used to soften the raw material. Realistic haptic features are important to palpate protrusions of the bone to determine the drilling starting point and angle. An optical real-time tracking is used to transfer position and rotation to the training system.
Methods: A metamaterial already developed in previous work is further improved by use of a new unit cell. Thus, the amount of SUP within the volume can be increased and the tissue is softened further. In addition, the human anatomy is transferred to the entire hand model. A subcutaneous fat layer and penetration of air through pores into the volume simulate shiftability of skin layers. For optical tracking, a rotationally symmetrical marker attached to the phantom hand with corresponding reference marker is developed. In order to ensure trouble-free position transmission, various types of marker point applications are tested.
Results: Several cuboid and forearm sample prints lead to a final 30 centimeter long hand model. The whole haptic phantom could be printed faultless within about 17 hours. The metamaterial consisting of the new unit cell results in an increased SUP share of 4.32%. Validated by an expert surgeon study, this allows in combination with a displacement of the uppermost skin layer a good palpability of the bones. Tracking of the hand marker in dodecahedron design works trouble-free in conjunction with a reference marker attached to the worktop of the training system.
Conclusions: In this work, an optically tracked and haptically correct phantom hand was developed using dual-material 3D printing, which can be easily integrated into a surgical training system.